Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Из (9.50) видно, что температурная чувствительность зп уменьшается вместе с уменьшением напряжения смещения. 369 9.6. ДиФФеренциальные усилители Однако при У,„1 < 1 мВ такая пропорциональность нарушается, так как главной составляющей напряжения смещения становится величина У,„2, обусловленная разбалансом сопротивлений В„ (см. (9.49Ц. Температурная чувствительность напряжения У,из определяется температурным коэффициентом сопротивлений В„, т.е.
зависит от типа и структуры резисторов. Помимо начального разбаланса коллекторных потенциалов, имеет место также начальный разбаланс входных (базовых) токов М,„. Этот параметр называют током смещения или просто разностью входных токов. В идеальном ДУ токи в обоих плечах одинаковы, т.е. М„= О. В реальном ДУ эту разность можно записать в виде ээ1 1э1 1э2 1э1 1э2 В +1 В2+1 В, В2 Используя наиболее неблагоприятные соотношения (1,1 > 1,2 и В < В2), нетрудно получить: (9.51) где 1, и  — средние значения (1, = )2 1э).
Как видим, ток смещения уменьшается с уменьшением рабочего тока ДУ и с увеличением коэффициента усиления В. Значимость параметра Л7вх состоит в том, что ток смещения, протекая через сопротивление источника дифференциального сигнала В„л, дает на нем падение напряжения А?,„Вэ л. Это напряжение равносильно напряжению смещения, т.е.
ложному сигналу. Например, если А!вх = 20 нА и В, „= 100 кОм, то Ы,„В „= 2мВ. Важную роль в ДУ играет еще один точностной параметр— средний входной ток: 1вх эр = )2 (161 + 162)' При оценке этого параметра можно использовать средние значения базовых токов 1е, = 122 - -1,(В. Тогда (9.52) 1вх эр = ! д/2В. Пути для уменьшения тока 1, те же, что и для М,„. Глава В.
Ослоам авалосоаой схемотехллхв это Из сравнения (9.51) и (9.52) следует, что ток смещения значительно меньше среднего тока (обычно на порядок). Значимость тока 1,х,о состоит в том, что он, протекая через сопротивление источника синфазного сигнала В„„дает на нем падение напряжения, равносильное синфазному сигналу. Будучи умножен на коэффициент К „этот сигнал вызывает на выходе начальный разбаланс потенциалов.
И средний входной ток, и разность входных токов зависят от температуры, т.е. характеризуются своими температурными чувствительностями. Из выражений (9.51) и (9.52) ясно, что эти температурные чувствительности связаны прежде всего с зависимостью В (Т). Температурные чувствительности токовых параметров пропорциональны самим параметрам„так что уменьшение последних влечет за собой повышение температурной стабильности. Переходные процессы.
Характер переходных процессов в ДУ такой же, как в простейшем каскаде (рис. 9.7), Остается в силе и анализ, выполненный в разделе 9.4. Однако количественные параметры — постоянная времени и длительность фронта — оказываются хуже, чем в простейшем каскаде. Запишем постоянную времени та в форме (9.16): (9.53) та = т„/(1+ Вус). В выражении (9.17) для коэффициента токораспределения ус положим В, = 0; тогда ус = г,((г, + В, + гз).
(9.54) Как видим, при прочих равных условиях коэффициент уз в ДУ меньше, чем в простейшем усилителе, а следовательно, постоянная времени та больше. Например, если г, = 25 Ом, гз = 150 Ом, () = 100 и Л„= 1 кОм и если в простейшем каскаде А, = 2 кОм, то быстродействие ДУ оказывается в 20 раз ниже, чем у простейшего каскада.
Если уменьшать рабочий ток, то сопротивление г, согласно (5.43) возрастает и вместе с ним возрастает коэффициент уе. В пределе, при ус = 1, постоянная времени та будет в 3 + 1 раз меньше т„, т.е. превращается в эквивалентную постоянную времени т„м (см. (9.11Ц. Однако это отнюдь не означает существенного изменения быстродействия, поскольку с уменьшением 371 9.6. Диффереиииальиые усилители тока согласно (9.2б) должно увеличиваться сопротивление В„, а оно определяет величину т„„.
Реальный путь для повышения быстродействия — тот, который был сформулирован в разделе 9.4: уменьшение сопротивления источника сигнала и, в первую очередь, улучшение высокочастотных параметров транзистора. Дифференциальный усилитель на МДП-транзисторах. Схема простейшего МДП-транзистор- +Е, ного ДУ показана на рис. 9.13. Плечами этого ДУ служат простейшие каскады с динамической нагрузкой (см. рис. 9.8, б). Поскольку дифференциальный сигнал У„делится поровну между участками затвор-исток активных транзисторов (Т1 и ТЗ), можно считать, что коэффициент усиления ДУ такой же как у р Рис.
9.13. Диффереициальиый отдельного плеча: усилитель иа МДП траизисторах К=-В1!В,- ГВ, (9. 55) где параметр В = Ь1/Ьз характеризует геометрию транзисторов Т1 и Т2 (см. (9.27)]. Как и в простейшем каскаде, коэффициент усиления ограничен и обычно не превышает значений б — 7, что намного меньше, чем у биполярных ДУ. Коэффициент усиления синфазной составляющей определим с помощью следующих соотношений. Синфазный сигнал вызывает приращения напряжения на общем истоке и на участках затвор — исток (рис. 9.13): Увх с ~Уза + ~Уи) напряжение ЛУ,„вызывает приращение тока 1,: Лз с Вс1Узи а напряжение ЛУ, — приращение тока 1е: 1Уа Увх с — ПУза сьсе = — = В, В, Глава Э.
Оеиовы аиалогоаой ехемотехиики 372 Приращение Ь(о распределяется поровну между обеими ветвями ДУ; следовательно, ЬХ, = )х Ь7о. Из этого равенства, подставляя приведенные выше значения токов, получаем: (9. 56) Ь(/ и Пех /(2ЯВ + 1). Умножая Ь(/,„на К и деля на (/,„„находим коэффициент усиления синфазной составляющей: (9.57) К„= К/(2ЯВ, + 1). Очевидно, что коэффициент К„меньше, чем К (обычно в десятки раз) и составляет доли единицы.
Коэффициент усиления К„,, лежащий в основе коэффициента подавления синфазной составляющей, получается следующим образом. Пусть плечи ДУ несимметричны, так что К1 в Кз (индексы относятся к транзисторам Т1 и ТЗ). Тогда дифференциальный выходной сигнал, обусловленный синфазным входным сигналом, можно записать в виде: 1/,„, (/аых д = (К1 КЗ) Ь(аи = (К1 Кз) 2ЯВ, +1 где для Ь(/еи использовано выражение (9.5б). Полагая К1 = К + ЬК и Кз = К вЂ” ЬК (где К вЂ” среднее значение) и деля (/,„„„на (/,„,, получаем: Кд, = 2ЬК/(2ЯВ, + 1).
(9.58) Коэффициент подавления найдем, поделив К на К„,. Запишем его в общей форме, аналогичной (9.42): (9. 59) Кп (2ЯВ~ + 1)/26. Здесь 6 — коэффициент асимметрии, который в данном случае имеет вид Используя (9.55), можно представить коэффициент 5 в виде суммы относительных разбросов (см. замечания к (9.42)~. Из выражения (9.59) ясно, что основными путями для увеличения К, являются увеличение крутизны активных транзисторов и сопротивления источника тока.
Если, например, Я = 1 зтз вп. Змпчтерпме пеетерятеяп мА/В„В, = 0,1 МОм и Ь = 0,04, то К„= 2500 (т.е. около 70 дБ). Обычно этот параметр меньше, чем у биполярных ДУ. Входные сопротивления (как для дифференциального, так и для синфазного сигналов) можно считать практически бесконечно большими: обычно они составляют 101о-101г Ом. Соответственно пренебрежимо малы входные токи. Отсюда следует, что такие параметры ДУ, как ток смещения (разность входных токов), средний входной ток и их температурный дрейф не являются ограничивающими факторами при использовании МДП транзисторных ДУ. Коли у биполярных ДУ главная составляющая напряжения 17еп обусловлена разбросом тепловых токов эмиттера (см.
равд. 9.б), то у МДП-транзисторных ДУ главная составляющая обусловлена разбросом пороговых напряжений и удельных крутизн активных транзисторов, т.е. параметров, зависящих не только от геометрии и электрофизических свойств кристалла, но и от состояния его поверхности. Как известно, состояние поверхности труднее контролировать, чем свойства объема и геометрию, Поэтому значения У, получаются больше, чем у биполярных ДУ. Переходные, характеристики МДП-транзисторных ДУ такие же„как у простейших каскадов, образующих плечи ДУ. Соответствующие выражения были приведены в равд. 9.5.
9.7. Эмиттериые повторители Повторителями принято называть усилители с коэффициентом усиления, близким к единице, не меняющие полярность входного сигнала и обладающие повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями (по сравнению с простейшими усилительными каскадами). Классическая схема змиттерного повторителя показана на рис. 9.14, а, а его малосигнальная эквивалентная схема — на рис. 9.14, б. Легко заметить, что змиттерный повторитель отличается от простейшего усилителя (см.
рис. 9.3, а) только тем, что выходное напряжение снимается не е коллектора, а с эмиттера и что в цепи коллектора отсутствует резистор В„. Коэффициент передачи. Из рис. 9.14, а видно, что если К„= 0 и У* = сопэь, то входной сигнал полностью передается на 374 Глава 9. Основы аналоговой схемотехники гЕ„ о) Рис. 9.14. Принципиальная (а) и малосигнальная эквивалентная (6) схемы амиттерного повторителя выход: У,„„= У,„и К = 1. С учетом сопротивлений Вг, г и г, из рис. 9.14, б получаем соотношение: с'вых ь'эх эб (Гб + Вг) гэГэ где У,„„= 1,В, и 1б = (1 — а)1,. Из этого соотношения легко найти величину 1,, а затем выразить у,„„через (г,„.
В результате коэффициент передачи повторителя запишется в следующем общем виде: К э В, +г, о(1 — а)(г + В,) (9. 60) Например, если В„= 0; В, = 5 кОм, г, = 25 Ом; г = 150 Ом и )) = 100, то К = 0,995. Если В„= 2 кОм, то коэффициент передачи несколько уменьшается: К о 0,991. При подключении внешнего нагрузочного сопротивления В„ (на рис. 9.14 показано штриховой линией) коэффициент передачи дополнительно уменьшается, поскольку сопротивление В, заменяется на В, )) В„. Из (9.60) видно, что коэффициент передачи повторителя положительный, т.е. повторитель не меняет полярности сигма ла, или, в случае синусоидальных сигналов, ие меняет их фазы (конечно, при достаточно низких частотах).
Несмотря на единичный коэффициент передачи напряжения, повторитель относится к классу усилителей, поскольку он усиливает ток. Это ясно из того, что между выходным (эмиттерным) и входным (базовым) токами существует хорошо известное соотношение: 1, = ()) + 1)1б, где 0» 1. 373 9.7. Эниттерньге повторители Входное сопротивление. Входное сопротивление повторителя, изображенного на рис. 9.14, определяется теми же формулами (9. 7), что и для простейшего усилителя. В общем случае Ввх = (6 + 1) (В, + г,) + го, (9.61а) а в частном случае, когда сопротивлениями г, и гс можно пре- небречь, В,„ = (6 + 1)В,. (9.616) тЕ„ +Ез — Е з а) — Е б) Рис. 9.13 Повторители с повышенным входным сопротивленнен а — с на грузной в виде источника тока, б — с использованием пары Дарлингтона На рис.
9.15, а показана схема повторителя, в которой резистор В, заменен на источник тока 1о. Если источник тока идеальный (В, = оз), то согласно (9.61) получается В = о. На самом же деле входное сопротивление имеет конечное значение, обусловленное сопротивлением коллекторного перехода (на рис. 9.15, а показано штриховой линией). До сих пор зто сопротивление не С учетом внешнего нагрузочного сопротивления входное сопротивление уменьшается. В отличие от усилительного каскада сопротивление В„а вместе с ним и входное сопротивление повторителя, можно увеличивать„практически не изменяя козффициента передачи (ср. (9.5а) и (9.60)).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
